五轴联动数控工具磨床

杨　克,　张耀娟，　关尚军

(北华大学 机械工程学院， 吉林 吉林　132021)



五轴联动数控工具磨床

杨克,张耀娟，关尚军

(北华大学 机械工程学院， 吉林 吉林132021)

摘要：根据技术要求对五轴联动数控工具磨床的整体结构、X轴导轨座、X轴滑板座进行设计。五轴联动数控工具磨床可以实现对球头立铣刀等多种硬度高、刃形复杂刀具的磨削加工，且一次装夹完成所有的精加工。

关键词：五轴联动; 数控磨床; 工具

0引言

随着我国数控机床行业的不断发展，普通的数控工具磨床已经不能满足生产制造行业的需求。这是由于所要加工出的产品的形状越来越复杂,精度要求越来越高，而普通的数控工具磨床已经无法加工出所需要的复杂刃形以及高精度的刀具[1]。自主研发的五轴联动数控工具磨床主要对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀等各种切削刀具进行磨削加工，且一次装夹就能够高效地完成所有的精加工，在提高刀具刃形和精度的同时，又提高了加工效率。

1五轴联动数控磨床整体设计

自主研发的五轴联动数控磨床采用卧式工作台[2]，其产品结构如图1所示。

该五轴联动数控磨床主要由Y轴伺服电机、联轴器、伺服电机座、缓冲块、Y轴滚珠丝杠、C轴工件转台、B轴转台、磨头主轴单元、主轴机、伺服电机座、Z轴伺服电机、同步带、X轴滑板、床身等零部件组成。可以实现磨床在X、Y、Z三轴的直线运动以及在B、C两轴的旋转运动。

图1　五轴联动数控工具磨床整体机构主视图

该五轴联动数控磨床具体参数见表1。

表1　五轴联动数控磨床参数

五轴联动数控磨床三维模型如图2所示。

磨头安装在Z轴机构平台上，Z轴机构安装在X轴机构平台上，加工时，砂轮可实现X轴、Z轴移动。工件装在夹头上，夹头固定在B轴机构上，B轴机构固定在C轴机构上，C轴机构固定在Y轴机构上。工件既可以绕B轴的轴线做回转运动，又可以做Y轴直线运动，还可以随支撑台C轴回转运动，上述设计增加了磨头主轴刚性的同时，又提高了工件的定位精度，进而提高了机床的性能和使用寿命[3-4]。该五轴联动数控工具磨床能实现一次装夹完成所有切削面的粗、精加工，工作台能满足多片砂轮同时加工以及自动换刀的要求，工作台既能承受粗磨时产生的大磨削力，又能保证精加工时的高精度。

图2　五轴联动数控工具磨床三维结构图

2X轴导轨座与滑板座设计

导轨座与滑板座是五轴联动数控工具磨床的重要机构[5-7]。X轴导轨座与滑板座的结构除了会影响X轴的运动精度，同时由于Z轴导轨安装在X轴滑板座上，所以X轴导轨座与滑板座的结构还会影响到Z轴的运动精度，为了保证X轴与Z轴的运动精度，在传动方面采用单独的伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接，利用相关控制程序驱动X轴与Z轴沿着高精度直线导轨运动[8-9]。自主研发的五轴联动数控工具磨床X轴导轨座与滑板座结构示意图如图3和图4所示。

(a) 主视图

(b) 俯视图

(c) 左视图

3技术要求

自主研发的五轴联动数控工具磨床除了在设计上要满足一定的要求，磨床各零部件在加工、安装时也要满足一定的要求。

1)X、Y、Z各轴重复定位精度为0.005mm,反向偏差为0.005mm，定位精度为0.008mm。

2)各轴的垂直度要求为0.01mm，两条平行滑轨平行度应保证在0.005mm以内。

3)各轴的直线度要求为0.005mm，安装时要做激光干涉实验。

4)各丝杆要求适当预紧，拉伸量为0.005mm。

5)机床铸件应平整光滑，壁厚均匀。

6)主轴需要做动平衡实验。

7)机床应按图样和装配工艺规程进行装配,装配到机床上的零部件均应符合质量要求。

8)装配环境应清洁,精度要求高的部件装配环境应符合有关规定。

9)装配时的零部件应清理干净,在装配过程中,加工件不应被碰、划伤和锈蚀,加工件的配合面及接触面不应有修锉和打磨等痕迹。

10)装配后的螺栓、螺钉头部和螺母的端面应与被紧固的零件平面均匀接触,不应倾斜和留有间隙。装配在同一部位的螺钉,其长度一般应一致。紧固的螺钉、螺栓和螺母不应有松动现象,影响精度的螺钉紧固力应一致。

11)直线导轨安装时应使用制动胶。

(a) 主视图

(b) 俯视图

4结语

自主研发的五轴数控工具磨床可以对球头立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀等多种复杂刃形的刀具进行磨削加工，且一次装夹就能够高效地完成所有精加工，在提高刀具刃形和精度的同时，又提高了加工效率，弥补了国内高精度、复杂刃形刀具加工的空白。

参考文献：

[1]李凌祥.五轴联动数控工具磨床的研发[J].金属加工:冷加工,2014,20:46-48,57.

[2]凌秉达.五轴联动数控工具磨床的研制与应用[J].机械工程师,2015(5):114-117.

[3]崔建昆,范灏,奚伟辰，等.五轴联动数控工具磨床工作台运动方案与结构设计[J].机械工程与自动化,2011(4):209-211.

[4]叶军红.复杂刀具磨削工艺数据库系统的研究与开发[D].武汉：华中科技大学,2012.

[5]何忠秋.数控端面外圆磨床滚动直线导轨副的装配分析[J].精密制造与自动化,2014(1):61-64.

[6]余治民,刘子建,艾彦迪，等.大型数控龙门导轨磨床几何误差建模与基于可靠性理论的精度分配[J].机械工程学报,2013,49(17):142-151.

[7]闫海鹏,赵乐,吕月飞,等.高速数控磨床的横、纵向进给设计[J].煤矿机械,2015,36(2):58-61.

[8]郭晋秦,张晓朋,乔俊福.平面磨床的电力拖动控制模型研究与仿真[J].电气应用,2015(2):113-117.

A five-axis CNC tool grinder

YANG Ke,ZHANG Yaojuan,GUAN Shangjun

(College of Mechanical Engineering, Beihua University, Jilin 132021, China)

Abstract：According to the technical requirement, the structure, x-axis guide rail seat and sliding plate seat of a five-axis CNC tool grinder are designed. With only one fixture, the grinder can grind blade-shaped complex tool with high hardness such as ball mills.

Key words：five-axis; CNC grinder; tool.

收稿日期：2016-01-24

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究重点资助项目(2015159)

作者简介：杨克(1965-)，女，汉族，吉林吉林人，北华大学副教授，主要从事机械制造及其自动化方向研究,E-mail:369061405@qq.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.03

中图分类号：TG 596

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)02-0115-04